فیلدباس چیست؟

فیلدباس چیست؟

در این مقاله به بررسی یکی دیگر از پروتکل های پر کاربرد در شبکه های صنعتی با نام فیلدباس (Fieldbus)  میپردازیم. اما برای درک بهتر کاربرد وکارایی شبکه های صنعتی و پروتکل های ارتباطی، بهتر است ابتدا مروری بر سیر تحولی سیستم های کنترلی انجام دهیم. 
سیر تحولی سیستم های کنترل صنعتی

اگر بخواهیم تاریخچه ای در مورد سیستم های مانیتورینگ و کنترل در صنعت را مورد بررسی قرار دهیم، سیر تحولی این سیستم ها در گذر زمان طبق ترتیب زیر است:

•    سیستم های کنترل و مانیتورینگ در دهه 40 میلادی توسط ابزارهای نیوماتیکی بر مبنای فشار انجام میشد.
•    با پیشرفت تجهیزات الکترونیکی در سال های منتهی به 1960 حلقه های جریانی 4 تا mA20 جایگزین سیستم های نیوماتیکی گشت (سیستم های کنترل گسسته یا DDC).
•    تقریبا می توان گفت که در سال 1972 کنترلرهای PLC جایگزین سیستم های DDC شد.
•    سرعت پیشرفت تکنولوژی باعث بوجود آمدن سیستمهای کنترلی توزیع شده یا DCS در سال 1976 شد.
•    در نهایت سیستم های کنترل مبتنی بر فیلدباس در سال 1994 ابداع گشت.

سیستم های DDC

در سیستمهای DDC یا Direct Digital Control، یک کامپیوتر مرکزی وجود دارد و سیگنال های ورودی و خروجی به طور مستقیم به کنترل کننده مرکزی کابل کشی میشوند.این سیستم کنترلی نسبت به کنترلرهای نیوماتیکی مزایای بسیاری از جمله نیاز به تعمیرات و نگه داری کمتر داشتند. 
عملکرد کنترلی در این سیستم ها بدلیل دیجیتالی بودن بسیار بهتر از کنترلرهای نیوماتیکی بود اما مواردی چون وابستگی به یک کامپیوتر، دشواری و پیچیدگی در برنامه نویسی و دارا بودن حلقه های کنترلی کابل کشی زیاد از معایب آن به شمار می روند.

سیستم های PLC

Programmable Logic Controller همانطور که از نام آن پیدا است یک کنترل کننده برنامه پذیر منطقی است و بعد از ابداع جایگزین کنترل کننده های رله کنتاکتوری گشت. سیستم های PLC نیز برمبنای داده های دیجیتالی کار میکنند.
در سیستم های PLC عملکرد کنترلی از عملکرد مانیتوینگ جدا است در حالی که در سیستم های DDC هر دو عمل کنترل و مانیتورینگ در یک سیستم انجام میپذیرد.

سیستم های DCS

مشکل عمده ای که در سیستم های DDC وجود داشت این بود که کل عملکرد کنترلی پلنت بر عهده یک کنترل کننده مرکزی بود. این امر باعث میشد که چنانچه مشکلی متوجه کنترل کننده میشد، عملکرد کل سیستم دچار اخلال می گشت. 
این امر باعث شد که بزودی ایده ساخت کنترل کننده های غیرمتمرکز یا Distributed Control System مطرح شود. این سیستم که متشکل از چند سیستم کنترلی مستقل ازهم است و در عین حال امکانات Redundancy نیز دارند به شکلی که اگر یک سیستم کنترلی از دسترس خارج شود یک سیستم پشتیبان وظیفه کنترل سیستم بجای آن را بر عهده خواهد گرفت. 

سیستم های DCS جدید از اجزاء زیر تشکیل میشوند.

•    باس ترمینال (Terminal Bus): شبکه ای که ارتباط دهنده ی سیستم اوپراتوری با کنترلرها است.
•    باس پلنت یا پردازش (Plantbus or Process): شبکه ای که وظیفه برقراری ارتباط میان کنترلرهای را بر عهده دارد.
•    باس فیلد (Fieldbus): شبکه ای ورودی ها و خروجی های I/O را در سطح فیلد جمع آوری می کند.

سیستم های FCS

با گسترش تکنولوژی و توسعه سنسورها و ابزارهای هوشمند امکان کنترل تجهیزات در خود فیلد مهیا گشت. به این ترتیب سیستم های Fieldbus Control System در کنترل پلنتهای صنعتی بکار گرفته شد که در آنها سیستم ها و حلقه های کنترلی در خود فیلد پیاده سازی می شوند.
حال که تا حدودی با انواع سیستم های صنعتی آشنا شدیم، در ادامه به توضیح شبکه صنعتی Fieldbus می پردازیم.

شبکه های صنعتی فیلدباس (Fieldbus)

فیلدباس در واقع یک مفهوم واحد نیست، بلکه در قالب یک مجموعه بیان میشود. فیلدباس یک گروه از پروتکل‌ها هستند که در صنعت استفاده می‌شوند.
همچنین می توان گفت که پروتکل‌های فیلدباس با عنوان IEC61158 استاندارد شده‌اند.

اما فیلدباس چیست؟ در اصل، فیلدباس بر روی یک شبکه کار می‌کند که امکان توپولوژی‌های مختلفی از جمله حلقه، شاخه، ستاره و زنجیره‌ای را فراهم می‌کند.

قبل از پروتکل‌های فیلدباس، سیستم‌های کنترلر صنعتی از طریق ارتباطات سریال RS232 متصل می‌شدند.
همانطور که می‌دانید، ارتباطات سریال فقط به دو دستگاه اجازه ارتباط می‌داد.
اما امروزه، اتصالات فیلدباس به طور بیشتر با اتصالات اترنت معمولی مقایسه می‌شوند که می‌توانید چندین دستگاه فیلد را ابتدا به یک نقطه اتصال واحد و سپس به کنترلر متصل کنید.
با این حال، فیلدباس را نمیتوان گفت که یک نوع اتصال است، بلکه توصیفی است که برای نشان دادن یک گروه از پروتکل‌ها استفاده میشود.
چندین پروتکل در این گروه وجود دارند از جمله ControlNet در خانواده Allen Bradley، Modbus، Profibus، EtherCAT، HART، CIP  و بسیاری دیگر.
به طور کلی دسته بندی های زیر جزء شبکه های فیلد باس قرار میگیرند.

یکی از مزایای اصلی فیلدباس برای دستگاه‌های متصل به فیلد است. به عنوان مثال، فرض کنید چندین دستگاه فیلد دارید که از کنترلر شما فاصله زیادی دارند. دستگاه‌های فیلدباس مانند سنسورها، موتورها، لامپ‌ها، سوئیچ ها به یک "بلوک داده"  I / O وارد می شوند و سپس به یک "دستگاه توزیع فیلد" (Field Distribution Device) متصل میشود که آن هم به یک منبع تغذیه فیلدباس متصل است و در نهایت به PLC متصل میشود. 
اتصالات به اجزای فیلدباس، به استثنای خود دستگاه‌های فیلد، اتصالات کابل تکی (Single Cable Connections) هستند. این طرح اتصال ممکن است با توجه به پروتکل فیلدباسی که در حال استفاده هستید، متفاوت باشد.
این نوع اتصال فیلد، در مقایسه با روش‌های قبلی اتصال دستگاه‌ها که باید تماما تا کنترلر برگردند و حلقه های کنترلی ایجاد کنند، در کابل کشی صرفه جویی قابل توجهی دارند.
همانطور که می‌دانید، سیستم کنترلر شما باید یک ماژول ارتباطی داشته باشد که بتواند با دستگاه‌های فیلد ارتباط برقرار کند.
نکته دیگری که در مورد اتصال این شبکه های صنعتی باید توجه داشت این است که مثلا در مورد  ControlNet، شما به یک ماژول ControlNet در مورد Profibus نیاز به یک ماژول Profibus و غیره دارید.
البته این بدان معنا نیست که هر پروتکل به یک تولید کننده خاص اختصاص دارد و باید به کنترلر شرکت خود متصل شود. به عنوان مثال، پروتکل Profibus یک پروتکل گسترده است که می‌تواند به Allen Bradley، Siemens، Modicon و غیره متصل شود. همین امر برای پروتکل Modbus نیز صدق می کند.
با این حال، برخی پروتکل‌ها با یکدیگر سازگار نیستند. مثلا ControlNet  نمی‌تواند با پردازنده Siemens  ادغام شود.
همانطور که می‌بینید،چنانچه پروتکل های صنعتی فیلدباس را در نظر دارید، در طراحی سیستم کنترل کارخانه خود مثلا شبکه ارتباطی و به طور خاص لایه فیلد، باید بیشتر احتیاط کنید. پژوهش خود را انجام دهید و مطمئن شوید که تمام اعضای خانواده در فیلد با هم سازگار هستند و می‌توانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. 

شبکه صنعتی Foundation Fieldbus

این شبکه صنعتی دارای یک کارت H1 و پروتکل RS-585 است. پروتکل RS-485 یک پروتکل معروف فیلدباس است و می‌تواند تا 32 دستگاه را بر روی یک زوج سیم که به دور هم پیچیده پشتیبانی کند. پروتکل RS-485 به هردو کار ارتباط دیجیتال و انتقال برق روی این زوج سیم اجازه می‌دهد که این امر می‌تواند باعث ساده‌سازی سیم کشی و کاهش هزینه‌ها شود.
در RS-485 سیگنال‌های دیجیتال به طور دیفرانسیلی (مخالف) منتقل میشوند، به این معنی که ولتاژ روی یک سیم برعکس ولتاژ روی سیم دیگر است.
این امر به کاهش نویز و تداخل در خط ارتباطی کمک می‌کند و امکان یک ارتباط قابل اطمینان در فواصل بیشتر را فراهم می‌کند. برق DC به طور معمول توسط یک منبع تغذیه جداگانه به همان سیم‌ها وصل می شود.RS-485  به دلیل سادگی، پایداری و هزینه پایین، یک انتخاب محبوب برای ارتباطات فیلدباس در شبکه های اتوماسیون صنعتی است و می تواند برای انواع مختلفی از کاربردها، از جمله کنترل سنسورها، محرک ها و سایر دستگاه ها در محیط تولید یا فرآیند استفاده شود. این سیستم به شکل خلاصه در شکل زیر مشهود است. 

مزایای استفاده از شبکه های صنعتی Fieldbus

•    استفاده از این سیستم ها باعث کاهش هزینه های اولیه میشود (Initial Saving)
•    این سیستم ها تا حد بسیار زیادی هزینه های تعمیرات و نگهداری را در سیستم پایین می اورد.
•    این شبکه ارتباطی باعث صرفه جویی در هزینه های توسعه و بهینه سازی سیستم میشود.
•    استفاده از این سیستم ها باعث بهبود عملکرد کنترلی،  کاهش پیچیدگی و عیب یابی بهتر در سیستم می شود.

معایب شبکه های صنعتی Fieldbus

علیرغم تمام مزایایی که استفاده از شبکه های صنعتی دارند، معایبی هم در این سیستم ها وجود دارند که عبارتند از:
•    وابستگی به کابل شبکه و اخلال در سیستم در صورت بروز اختلال در کابل
•    در ارتباطات سریال کند تر از سیستم های قدیمی هستند
•    طراحی و پیاده سازی آن ها پیچیده تر است
•    توسط برخی از سازندگان ساپورت نمیشوند.